睡眠過(guò)渡過(guò)程中的腦態(tài)分析及過(guò)渡自適應(yīng)控制

黃曉樂(lè)，謝水清

中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，湖北 武漢 430074

睡眠過(guò)渡過(guò)程中的腦態(tài)分析及過(guò)渡自適應(yīng)控制

黃曉樂(lè)，謝水清

中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，湖北 武漢 430074

目的采用自適應(yīng)的外部干預(yù)刺激，分析人腦在睡眠過(guò)渡過(guò)程中的狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上，改變刺激來(lái)抑制被試者的有害認(rèn)知活動(dòng)，縮短其入睡潛伏期。方法給15名睡眠良好者/失眠者提供自適應(yīng)外部干預(yù)刺激，獲取他們?cè)谒咝袨榉磻?yīng)實(shí)驗(yàn)中的行為反應(yīng)量。結(jié)果睡眠正常組的10名被試者，在實(shí)驗(yàn)中都喪失了對(duì)外部刺激的感知和反應(yīng)能力，主觀上也認(rèn)為自己都睡著了，該組被試者的入睡潛伏期通常都在20min左右，在實(shí)驗(yàn)中縮短到11min左右。睡眠異常組中，3名輕度失眠者通常的入睡潛伏期都在30min以上，在實(shí)驗(yàn)中均被縮短到20min左右；另外的2名嚴(yán)重失眠者的入睡潛伏期通常都在120min左右，實(shí)驗(yàn)中有1人在50min內(nèi)入睡，另1人未睡著。結(jié)論采用自適應(yīng)的外部干預(yù)刺激，能夠有效地縮短人的入睡潛伏期；便攜式睡眠監(jiān)控儀，操作簡(jiǎn)單可靠，能達(dá)到無(wú)喚醒、無(wú)干擾的目的。

睡眠控制儀；自適應(yīng)控制； 入睡潛伏期； 生物鐘

0 前言

睡眠-覺(jué)醒周期是機(jī)體生命的高級(jí)生理活動(dòng)，它是感知覺(jué)與環(huán)境分離并喪失反應(yīng)能力的一種可逆轉(zhuǎn)狀態(tài)。人類的生命有 1/3 的時(shí)間是處于睡眠狀態(tài)中，睡眠時(shí)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)和有意識(shí)活動(dòng)減弱并逐漸消失[1]。然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有大約 30%～40% 的成年人遭受著不同程度的失眠困擾[2]。失眠被定義為入睡困難，維持睡眠困難，或者盡管有足夠的機(jī)會(huì)睡覺(jué)，但睡眠持續(xù)時(shí)間短，或者由白天功能降低而引起的睡眠抱怨[2-3]。失眠癥是最普遍的心理學(xué)障礙之一，它使患者極為痛苦，也使社會(huì)，人與人之間的關(guān)系和工作受到損害[4]。并且，大約一半的失眠病人都有基本的精神疾病，例如抑郁或者焦慮。此外，失眠還會(huì)增加患者出現(xiàn)新的或者復(fù)發(fā)的精神疾病的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)增強(qiáng)白天的睡意，這些情況往往會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知能力受損害，生活質(zhì)量的降低以及更高的醫(yī)療保健財(cái)政負(fù)擔(dān)[5]。因此，研究失眠的發(fā)病機(jī)制和尋找治療失眠的有效方法顯得尤為重要。

當(dāng)前治療心理生理性失眠的方法包括：藥物療法和認(rèn)知行為干涉療法。其中，藥物療法在治療暫時(shí)性或短時(shí)性睡眠困難時(shí)有作用，但在治療長(zhǎng)期性失眠時(shí)效果不佳，并且容易產(chǎn)生負(fù)面影響。認(rèn)知行為療法（CBT）由多方面的干擾組成，包括行為的，認(rèn)知的和教育性的內(nèi)容。行為的內(nèi)容包含有睡眠限制和刺激控制程序的結(jié)合[2]。實(shí)際上，失眠者大都因不能抑制延綿不斷的思緒而無(wú)法入睡，許多失眠者報(bào)告了那些阻止他們進(jìn)入或者維持睡眠的心理活動(dòng)，例如侵入的思維或者跑馬似的思緒。這些不良的認(rèn)知在長(zhǎng)久失眠中扮演著重要的角色[6-7]，大量的實(shí)驗(yàn)表明，控制前睡眠認(rèn)知活動(dòng)，可以改變?nèi)胨瘽摲?，從而解除失眠困擾[8]。圍繞著這個(gè)主題，研究人員嘗試了多種心理控制策略，但始終不能達(dá)到理想的效果。 他們以失眠認(rèn)知模型：① 煩惱和沉思 ；② 注意偏向和監(jiān)控與睡眠有關(guān)的威脅 ；③與睡眠有關(guān)的有害觀念；④ 對(duì)睡眠和白天虧空的錯(cuò)誤知覺(jué)；⑤ 維持有害觀念的安全行為的使用[4]。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了關(guān)于失眠認(rèn)知治療的公開(kāi)實(shí)驗(yàn)，他們的目標(biāo)是在白天和晚上反轉(zhuǎn)這5種維持過(guò)程。結(jié)果表明，反轉(zhuǎn)失眠認(rèn)知維持過(guò)程是減少失眠的一種途徑。但是，這些實(shí)驗(yàn)也存在一些局限性，如 ：① 由于沒(méi)有對(duì)比組，他們無(wú)法排除那些改善是由于時(shí)間流逝或者不明確的治療效果而引起的可能性；②盡管它包含了來(lái)自多個(gè)族群的多個(gè)年齡段的個(gè)體，但是樣本太小[9]。實(shí)際上，無(wú)論是心理控制還是各種各樣的認(rèn)知療法，基本都是依靠自己來(lái)轉(zhuǎn)移自己的注意，這種做法往往難度較大且效果不佳。在這種情況下，有人另辟蹊徑，提出了依靠外部干預(yù)來(lái)轉(zhuǎn)移注意并達(dá)到縮短入睡潛伏期的目的。結(jié)果表明，這的確是一種有效的方法，易控制且無(wú)喚醒[10-13]。但是，他們沒(méi)有針對(duì)睡眠過(guò)渡過(guò)程中的腦態(tài)給予自適應(yīng)的刺激，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備也不能便攜，無(wú)法廣泛應(yīng)用于大眾。因此，本文的目的就是在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論腦態(tài)的不同階段，加上自適應(yīng)的刺激，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)一步提高睡眠效率。

1 對(duì)象和方法

1.1 對(duì)象

選取我校在讀碩士生 15名進(jìn)行睡眠實(shí)驗(yàn)。納入標(biāo)準(zhǔn)：有午睡習(xí)慣，除睡眠障礙無(wú)其他疾病，對(duì)實(shí)驗(yàn)知情同意。根據(jù)匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)將被試分為2組：睡眠良好組-匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)得分≤ 7（10 人 )，睡眠障礙組 - 匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)得分＞ 7（5 人）。

1.2 試驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為自主研發(fā)的便攜式睡眠監(jiān)控儀。該儀器由4個(gè)主要部分組成。這4個(gè)部分分別為產(chǎn)生聲音刺激的蜂鳴器、采集被試者動(dòng)作反應(yīng)的加速度傳感器、負(fù)責(zé)計(jì)算分析的主控單位以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位。其中主控單位根據(jù)加速度傳感器獲取的被試者反應(yīng)，分析出被試狀態(tài)，然后給出相應(yīng)的聲音刺激。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

1.3.1 控制原理

人的睡眠-覺(jué)醒機(jī)制是由大腦意識(shí)活動(dòng)和生物鐘共同作用的結(jié)果。白天大腦意識(shí)活動(dòng)強(qiáng)烈，生物鐘作用較弱，因此，人處于清醒狀態(tài)；相反的，夜晚生物鐘作用較強(qiáng)，而大腦意識(shí)活動(dòng)較弱，人就會(huì)睡著。失眠的人常常在夜間受到“有害的認(rèn)知活動(dòng)”的打擾而無(wú)法入睡。因此，治療失眠就應(yīng)該轉(zhuǎn)移失眠者的注意、抑制這種“有害的認(rèn)知活動(dòng)”，以突出生物鐘的作用。

1.3.2 腦態(tài)假設(shè)

入睡潛伏期的腦狀態(tài)可以分為3個(gè)階段：清醒階段，過(guò)渡階段和入睡階段。其中入睡階段難以壓縮，因此，為了縮短入睡潛伏期，必須縮短清醒階段和過(guò)渡階段所持續(xù)的時(shí)間。

1.4 自適應(yīng)控制

為了縮短這兩個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間，我們采用給被試者提供自適應(yīng)刺激。具體來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始階段，我們給被試者提供標(biāo)準(zhǔn)刺激（刺激間隔為 7 ～ 10s,目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例為 1：1），以便確定被試者在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的腦狀態(tài)。在清醒階段給予適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)刺激（刺激間隔增大為標(biāo)準(zhǔn)刺激的 2 倍，目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例減小為標(biāo)準(zhǔn)刺激的 2/3），以突出生物鐘作用。在過(guò)渡階段（可分為有雜念和無(wú)雜念兩種狀態(tài)）中，對(duì)于有雜念的狀態(tài)，給予適當(dāng)懲罰刺激（刺激間隔縮短為標(biāo)準(zhǔn)刺激的 2/3，目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例增大為標(biāo)準(zhǔn)刺激的 1.5 倍），加強(qiáng)注意轉(zhuǎn)移 ；對(duì)于無(wú)雜念的狀態(tài)，給予適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)刺激（刺激間隔增大為標(biāo)準(zhǔn)刺激的3倍，目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例減小為標(biāo)準(zhǔn)刺激的 1/2），進(jìn)一步突出生物鐘作用。

1.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在睡眠實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓被試者佩戴睡眠儀，將帶有傳感器的探頭綁于中指。由運(yùn)行于睡眠儀上的自適應(yīng)控制程序給被試者提供自適應(yīng)刺激，刺激類型和刺激間隔在一定范圍內(nèi)隨機(jī)呈現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試者的任務(wù)是監(jiān)測(cè)刺激類型并做出相應(yīng)的反應(yīng)。具體地說(shuō)，如果監(jiān)測(cè)到刺激類型為目標(biāo)刺激 - 長(zhǎng)聲音（500ms），要求有意識(shí)地輕輕抖動(dòng)中指-做出反應(yīng)，目的是加強(qiáng)注意轉(zhuǎn)移。相反的，如果為非目標(biāo)刺激 - 短聲音（200ms），不要求作任何反應(yīng)，目的是突出生物鐘作用。

為了不讓被試者有不適應(yīng)的感覺(jué)，每次實(shí)驗(yàn)都由被試者將睡眠儀帶回宿舍進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為中午或者晚上。每次實(shí)驗(yàn)前均給予被試者合理的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)，讓其明白實(shí)驗(yàn)操作方法，以得到客觀正確的數(shù)據(jù)，每次實(shí)驗(yàn)后均詢問(wèn)其睡眠感覺(jué)，做出記錄。

1.6 數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由便攜式睡眠監(jiān)控儀自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。記錄的內(nèi)容包含給予刺激的時(shí)間（格式為年-月-日 - 時(shí) - 分 - 秒）、刺激的類型（目標(biāo)刺激、非目標(biāo)刺激）、被試者反應(yīng)時(shí)（被試者未反應(yīng)則為空白）。

主要觀察指標(biāo)：反應(yīng)時(shí)間分布；反應(yīng)正確率；反應(yīng)的波動(dòng)性；入睡潛伏期；主觀睡眠報(bào)告。

數(shù)據(jù)分析方法 ：本文作者采用 SPSS17.0 版統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行 Mean 均值檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)用 -x±s 表示。

2 結(jié)果

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)

表1 睡眠正常組的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 睡眠異常組的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在睡眠正常組的 10次試驗(yàn)中，每個(gè)被試者在睡眠過(guò)程中都喪失了對(duì)刺激的反應(yīng)能力，且每個(gè)被試者都是入睡后自然醒來(lái)的，根據(jù)他們描述的主觀睡眠感覺(jué)，我們判斷他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中睡著了。在這 10次試驗(yàn)中，被試者的入睡潛伏期均值為（10.66±3.33）min，其中最大值為16.47min，最小值為 6.95min ；在睡眠異常組的 5 次試驗(yàn)中，對(duì)于 3 名間歇性失眠者，入睡潛伏期由平時(shí)的 45～60min 縮短為 23min 以內(nèi)，均值為（18.37±5.67）min，其中最大值為 22.58min，最小值為 11.92min；對(duì)于另外 2 名嚴(yán)重失眠者，他們平時(shí)的入睡潛伏期均在 120min 左右，其中 1 名在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中睡著了，入睡潛伏期縮短為 50min，另 1 名在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未睡著。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1～2 所示。

2.2 睡眠過(guò)渡過(guò)程行為反應(yīng)特性圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示：

圖1 睡眠過(guò)渡過(guò)程行為反應(yīng)特性

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為 A、B、C、D、E、F 6 個(gè)階段。根據(jù)人體對(duì)聲音刺激的反應(yīng)特點(diǎn)，去掉反應(yīng)時(shí)小于 300ms的誤動(dòng)作，并且把反應(yīng)時(shí)間超過(guò) 2000ms的反應(yīng)視為無(wú)反應(yīng)。

A 階段被試者的反應(yīng)時(shí)間均值為（718.00±352.52）ms，B 階 段 為（627.14±53.76）ms，C 階 段 為（588.75±126.88）ms，E 階段為（1067.14±296.29）ms，D 和 F 階段被試者無(wú)反應(yīng)。

3 討論

3.1 睡眠過(guò)渡過(guò)程的確定

覺(jué)醒在行為上以變化多端的各種運(yùn)動(dòng)活動(dòng)和活躍的思維活動(dòng)為特征，對(duì)環(huán)境刺激非常敏感，能迅速做出各種適應(yīng)性反應(yīng)。睡眠時(shí)則相反，機(jī)體對(duì)刺激的敏感性降低，肌張力下降，反射閾增高，雖然還保持著自主神經(jīng)系統(tǒng)的功能調(diào)節(jié)，但是一切復(fù)雜的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)，如學(xué)習(xí)、記憶、邏輯思維等活動(dòng)均不能進(jìn)行，如圖1中的F階段，被試者已經(jīng)喪失了對(duì)外部刺激的感知和行為反應(yīng)能力，表明被試者已經(jīng)進(jìn)入了睡眠狀態(tài)。由覺(jué)醒狀態(tài)到睡眠狀態(tài)的 B、C、D、E階段，則屬于睡眠過(guò)渡過(guò)程。

3.2 睡眠過(guò)渡過(guò)程中腦狀態(tài)的分析和自適應(yīng)控制

在這6個(gè)階段中，A和D階段并不是所有被試者都會(huì)出現(xiàn)的，A階段表示被試者對(duì)該行為反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的適應(yīng)過(guò)程，其特征是反應(yīng)時(shí)波動(dòng)較大；D階段表示被試者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的短暫的無(wú)反應(yīng)現(xiàn)象，此時(shí)被試者可能由于小睡（打盹）無(wú)法做出反應(yīng)。B、C、E 為睡眠過(guò)渡過(guò)程。在 B 階段，我們提供給被試者的刺激時(shí)間間隔為 7～10s，目標(biāo)與非目標(biāo)刺激的比例為 1：1。由于經(jīng)過(guò) A 階段，被試者此時(shí)已經(jīng)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作方法，可以發(fā)現(xiàn)反應(yīng)正確率高，且反應(yīng)時(shí)較為穩(wěn)定，波動(dòng)比較小，這些現(xiàn)象表明被試者處于清醒狀態(tài)。針對(duì)這一狀態(tài)，我們應(yīng)該給予被試者一定的獎(jiǎng)勵(lì)，減小其認(rèn)知行為反應(yīng)任務(wù)，也就是要增加刺激時(shí)間間隔和減小目標(biāo)與非目標(biāo)刺激的比例。因此，在C階段，我們提供給被試者的刺激時(shí)間間隔增大到 14～18s，目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例減小為 1 ：1.5。在這個(gè)階段的開(kāi)始，反應(yīng)還比較穩(wěn)定，但在致睡物質(zhì)和生物鐘的作用下，反應(yīng)時(shí)和波動(dòng)性都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明被試者對(duì)外部刺激的感知和反應(yīng)的能力在下降。在這種情況下，我們應(yīng)該進(jìn)一步增大刺激時(shí)間間隔和減小目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例。因此，在E階段（由清醒到入睡過(guò)程中最為重要的過(guò)渡階段），我們提供給被試者的刺激時(shí)間間隔增大為 20～30s，目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例減小為1：2。由于刺激時(shí)間間隔較大且非目標(biāo)刺激較多，在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)兩種對(duì)立的結(jié)果。一種結(jié)果是，被試者的反應(yīng)時(shí)，波動(dòng)性以及錯(cuò)誤率都有較大幅度的增大，此時(shí)被試者對(duì)外部刺激的反應(yīng)能力越來(lái)越弱，最后將過(guò)渡到F階段。另一種結(jié)果是，由于此時(shí)的認(rèn)知行為反應(yīng)任務(wù)過(guò)小，被試者可能被侵入的“有害認(rèn)知活動(dòng)”打擾而再次進(jìn)入清醒階段。一旦進(jìn)入清醒階段，我們就要重新給被試者提供B階段的刺激類型，如果這種情況反復(fù)出現(xiàn)幾次，被試者就可能進(jìn)入 B、C、E 階段的死循環(huán)而無(wú)法到達(dá)F階段，這樣就必然導(dǎo)致被試者失眠。因此要想縮短入睡潛伏期，必須從E階段入手，尋找出最佳的刺激時(shí)間間隔和目標(biāo)與非目標(biāo)刺激比例，以達(dá)到既不喚醒被試者，又不讓被試者被有害思維打擾而重新回到清醒狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文采用的通過(guò)外部自適應(yīng)干預(yù)刺激實(shí)時(shí)控制被試者認(rèn)知活動(dòng)的策略，較為明顯地縮短了被試者的入睡潛伏期，與以往的心理控制策略相比，它具有更好的可重復(fù)性，易控制性，無(wú)干擾性和無(wú)喚醒性。但是，本方法雖然對(duì)睡眠良好者和輕度失眠者有很顯著的效果，也顯著地縮短了嚴(yán)重失眠者的入睡潛伏期，但卻沒(méi)有使嚴(yán)重失眠者在 30min內(nèi)（失眠與非失眠的時(shí)間區(qū)分）入睡，這表明，我們采用的刺激類型還存在著不足之處。進(jìn)一步的研究應(yīng)該找出更加合理有效的刺激類型。此外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的睡眠儀，盡管有了便攜性，易操作性和客觀有效性，但是在智能化和穩(wěn)定性上都還存在著缺陷。因此，應(yīng)該進(jìn)一步改良，讓其成為能夠服務(wù)于大眾的科技產(chǎn)品。

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The Analysis of Brain States in Sleep Transition and the Adaptive Control of Sleep Transition

HUANG Xiao-le, XIE Shui-qing
Institute of Biomedical Engineering, South Central University for Nationalities, Wuhan Hubei 430074, China

ObjectiveWe analysed the states of brain in sleep transition by using adaptive external intervention stimuli. On this basis, we controlled the harmful cognitive activity of sleepers and shortened their sleep latency by changing stimuli.MethodsGiving adaptive external intervention stimuli to 15 good sleeps/insomnias, and then we got the amount of behavioral response of these subjects in sleep behavioral response test.ResultsIn the normal sleepers group, all of the ten good sleepers lost their perception of external stimuli and their responsiveness in the test, and they all believe that they had fell asleep in the test subjectively. The normal sleep latency of these good sleeps were at about 20 minutes, but they all had been shortened at about 11 minutes. In the insomnia group, the normal sleep latency of three mild insomnias were all above 30 minutes, but they were shortened in 20 minutes in the sleep test; The normal sleep latency of the other two severe insomnias were at about 120 minutes, one fell asleep in 50 minutes in the sleep test, but the other one did not fall asleep in the sleep test.ConclusionIt is useful to shorten sleep latency of these subjects by using adaptive external intervention stimuli. The portable sleep machine is easy to operate and very reliable. We can use it without awakening and obstruction.

sleep controller; self-adaptive control; sleep incubation period; body clock

R338.63；R33-33

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.03.007

1674-1633(2011)03-0018-04

2010-08-27

2011-01-04

中南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(ZZQ10006)資助；廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2010B090400047)資助。

本文作者：黃曉樂(lè)，中南民族大學(xué)在讀碩士研究生。

謝水清，碩士研究生導(dǎo)師。

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